Für Sammelanfänger

Fossildiagenese

Biostratonomie und Einleitung zur Fossildiagenese:

In diesem Beitrag möchte ich auf die verschiedenen Erhaltungszustände eingehen, in denen Fossilien gefunden werden können. Ursprünglich handelte es sich hierbei um ein Protokoll für eine geologisch-paläontologische Exkursion nach Dänemark. Dementsprechend habe ich es jetzt für Steinkern an einigen Stellen abgeändert – trotzdem wird man anhand von selber gemachten Fotos noch die einen oder anderen Beispiele aus Dänemark zu Gesicht bekommen.
Zumindest am Rande soll hier auch die Biostratonomie Platz finden, sodass ich kurz anmerke, welche verschiedenen Formen zu beachten sind.
Zuerst einmal ist wichtig, wie der Organismus, den man als Fossil finden will, überhaupt beschaffen ist. Weichteil-Erhaltung kann nur unter sehr speziellen Bedingungen stattfinden, also muss man davon ausgehen, dass Organismen, die über widerstandsfähige Hartteile verfügen, deutlich häufiger als Fossil überliefert sind. Dies spiegelt sich auch in gemachten Funden wieder, so sind Galerien im Internet, private und staatliche Sammlungen und Börsen überfüllt mit Ammoniten (die zu der Gruppe der Cephalopoden/Kopffüßer gehören), man findet häufig Bivalven (Muscheln), Brachiopoden (Armfüßer), Gastropoden (Schnecken), Echinodermen (Stachelhäuter), Skelette oder zumindest skeletale Überreste von Vertebraten (Wirbeltieren), um nur einige Beispiele zu nennen.
Weiterhin muss man beachten, dass Hartteile in ihrer einstigen Struktur nicht immer erhalten bleiben, so zerfallen gegliederte Skelette, die teilweise durch organische Substanzen zusammengehalten werden. Deutlich wird dies vor allem bei Knochen von Wirbeltieren. Diese werden häufig z.B. durch Bandstrukturen aus organischem Material (hauptsächlich Kollagen) zusammengehalten, welches schnell zersetzt wird.
Beim Betrachten der letztendlichen Einbettung des Organismus unterscheidet man zwischen zwei grundsätzlich verschiedenen Formen: autochthone Einbettung  und  allochthone Einbettung. Erstere besagt, dass das Fossil am Lebens- bzw. Todesort eingebettet wird, letztere besagt, dass diese beiden Ereignisse nicht zusammenfallen. Der zweite Fall ist häufiger.
Als letztes zum Thema Biostratonomie möchte ich noch auf Fossil-Gemeinschaften eingehen, nicht nur, da sie wunderbar die Vitrine des begeisterten Sammlers schmücken, sondern auch, weil sie wichtige Rückschlüsse auf das Zusammenleben der Organismen liefern können. Es gibt auch hier 2 Formen: Thanatozönosen (Totengemeinschaften) - welche abgestorbene Organismen, die zusammen lebten und am Lebensort erhalten sind (autochton), überliefern – und Taphozönosen (Grabgemeinschaften) – die ein Grab von Organismen überliefern, die aus verschiedenen Lebensbereichen stammen (allochton).

Das eigentliche Thema dieses Beitrags ist jedoch, wie durch die Überschrift angekündigt, die Fossildiagenese. Was genau verbirgt sich überhaupt hinter diesem Begriff?
Die Fossildiagenese beschreibt das Schicksal des Organismus nach dem Tode und nach der Einbettung. Weitgehend werden die darauf folgenden Vorgänge durch sedimentologische Faktoren bestimmt.

Substanzerhaltung:

Die Substanzerhaltung ist der einfachste Vorgang der Diagenese. Hierbei bleibt der Organismus in seiner ursprünglichen Form und seinem ursprünglichen Chemismus erhalten. Ein wichtiges Kriterium für das Auftreten von Substanzerhaltung ist, dass das Sediment, in dem die Einbettung stattfindet, kaum bis gar keine Zirkulation von Porenwässern aufweist.
Diese Art der Fossilerhaltung findet man recht häufig in jüngeren
Ablagerungen.

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Abb.1: Aquilofusus sp, Substanzerhaltung,  Groß Pampau, ob. Miozän, Nico Küter

Je älter die Ablagerung hingegen ist, desto seltener werden auch Fossilien in diesem Erhaltungszustand. Prädestiniert für diese Art der Fossilisierung sind z.B. Muscheln und Brachiopoden, die widerstandsfähige Schalen  besitzen. Aber generell können nicht nur Schalen, sondern auch Knochen quartärer und tertiärer Sedimente in ursprünglicher Substanz vorliegen – das zeigen besonders schön Säugetiere aus dem Permafrost Russlands, so beispielsweise das „Jarkov Mammut“.

Lösung:

Betrachten wir nun den direkten Gegensatz: In Sedimenten, die gröber sind, also auch stärkere Zirkulation von Porenwasser zulassen, können die Organismenreste buchstäblich aufgelöst werden. Dies kann durch reines Wasser, aber ebenso auch durch Säuren und Basen geschehen.
Durch diesen Vorgang werden Fossilien nach der chemischen Zusammensetzung ihres Skelettes selektiert, da unterschiedliche Mineralien natürlich auch unterschiedlich stark und schnell angegriffen und somit gelöst werden.
Man kann sich also gut vorstellen, dass hier – wie anfangs angesprochen – Organismen mit Hartteilen klar im Vorteil sind, wenn es um die Überlieferung und Erhaltung geht. So fanden wir beispielsweise am Mon’s Klint (Dänemark) Echinodermen (vor allem den Seeigel Echinocorys), zahlreiche Muscheln (z.B. Austern – siehe Abb.2), Brachiopoden und ähnliches.

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Abb. 2: Pycnodonte Auster, Mon’s Klint, Eigenfund

Dies sind Organismen mit Hartteilen. Aber die Fauna beschränkte sich damals wohl kaum nur auf diese Organismen, nein – vielmehr muss man davon ausgehen, dass viele Organismen unter diesen Bedingungen nicht erhaltungsfähig und somit auch nicht überliefert sind.

Molekulare Umsetzungen:

Bei den molekularen Umsetzungen als Form der Fossildiagenese unterscheiden wir 3 unterschiedliche Vorgänge: Umkristallisierung, Stoffaustausch und Inkohlung

Umkristallisierung:
Bei der Umkristallisierung wird eine instabile Modifikation einer polymorphen Substanz (z.b. Aragonit) in eine stabilere (z.b. Calzit) überführt. Dabei verändert sich der Chemismus des Fossils nicht!
Wir unterscheiden 3 Formen der Umkristallisierung: die paramorphe Transformation, die Sammelkristallisation und die Mikritisierung.
Die paramorphe Transformation liefert ein Fossil, das recht gut erhalten ist. Der Feinbau des Skeletts (also z.B. Schalenstruktur – siehe Abb.3) bleibt weitestgehend bestehen, zumeist gehen bloß die feinen Details verloren.
Bei der Sammelkristallisation entsteht ein völlig neues Gefüge im Fossil. Hier wachsen die gröberen Kristallkeime stark, die kleineren verschwinden mehr und mehr.
Die letzte von uns zu besprechende Form der Umkristallisierung ist die Mikritisierung. Hiermit sind frühdiagenetische Umkristallisierungen in ein meist vollkommen strukturloses Kristallaggregat gemeint.

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Abb.3: Schema der Umkristallisierung am Beispiel von veränderten Aragonit-Schalen der Muschel Nucula (Ziegler, „Allgemeine Paläontologie“)


Stoffaustausch:
Oft wird die ursprüngliche Skelettsubstanz des Organismus durch einen chemisch anderen Stoff ersetzt. Bei diesem Phänomen spricht man von Metasomatose. Bei der Verkieselung wird die ursprüngliche Substanz durch Kieselsäure ersetzt. Die Verkalkung, die maßgeblich in Karbonatgesteinen von alkalischem pH stattfindet, betrifft hauptsächlich primär kieselige Reste. Bei der Verkiesung – in feinklastischen Sedimenten anzutreffen - ersetzen Pyrit (FeS2) und Markasit (ebenfalls FeS2) das primäre Skelett.

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 Abb.4: Verkieselte Echinoiden und –stacheln,  Engelhardsberg, Sönke Simonsen

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Abb.5: Verkalkter Promicroceras, Südengland, Sönke Simonsen

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Abb.6:  Verkieste Amaltheen, Roquefort, Sönke Simonsen

Inkohlung:
Die organischen Bestandteile des pflanzlichen Organismus (Cellulose, Lignin) müssen bei der Fossildiagenese gesondert betrachtet werden. So tritt bei Abschluss von Luftsauerstoff die Inkohlung ein. Vereinfacht kann man sagen, dass die Ablagerung - relativ gesehen – an Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H) verarmt, jedoch an Kohlenstoff (C) gewinnt. Nebenprodukte sind Methan, Wasser und CO2. Findet der Vorgang unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck statt, so spricht man von Verkohlung. Schließlich liegt fast reiner Kohlenstoff vor.
Als Beispiele habe ich hier 2 Fotos, die von der Exkursion nach Dänemark stammen.

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Abb.6: Mammutbaum, längstes Holz Dänemarks, Museum Henrik Madsen

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Abb.7: Fossiles Holz, Moler, Insel Fur, Eigenfund auf Exkursion 
      
Imprägnation:
Unter Imprägnation versteht man die Ausfüllung von Poren der Hartteile des Organismus durch verschiedene Substanzen, wie z.b. Kalk, Kieselsäure und Baryt.
 
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Abb.8: Imprägnation eines Wirbeltierknochens (A-B) und Inkrustation einer Schale (C-E), (Ziegler, „Allgemeine Paläontologie“)

Inkrustation:
Durch die Tätigkeiten von Algen oder durch Ausfällung von z.B. Kalk aus übersättigter Lösung auf Kristallisationskeime entstehen Krusten auf den Hartteilen des Organismus.

Steinkern:
Eine sehr häufige Möglichkeit der fossilen Erhaltung ist der Steinkern. Man kann ihn verstehen als Ausguss einer Hohlform bzw. Schale und findet ihn z.b. bei Brachiopoden (Armfüßern), Bivalven (Muscheln), Gastropoden (Schnecken), Cephalopoden (Kopffüßer) und Echinoiden (Seeigeln). Meist dient hier das umgebende Sediment als Füllung. Auch bei dieser Form der Fossilisierung gibt es grundsätzlich verschiedene Abläufe, die selbstverständlich auch verschiedene Ergebnisse liefern. Diese sollen hier kurz angesprochen werden: In Schalen, die sehr dicht schließen, kann kein Sediment von außen eindringen. Es wird aus wässriger Lösung eine Kristall-Füllung ausgeschieden. Das Phänomen der „fossilen Wasserwaage“, die Oben und Unten anzuzeigen vermag, tritt auf, wenn die Schale nur teilweise von Sediment erfüllt ist und der übrige Raum hohl oder auskristallisiert ist. Weiterhin sind auch Hohlformen möglich, wenn in dicht schließenden Schalen nichts abgelagert wird und im Laufe der Fossilisation die Schale gelöst wird. Viele Organismen, so z.B. Ammoniten, sind im Sinne ihrer Gliederung in mehrere Einheiten geteilt, die jeweils in sich nahezu (Siphonalstrang!) abgeschlossen sind. So dringt bei gerade genanntem Beispiel das Sediment nur in die Wohnkammer ein und die restlichen Hohlräume bleiben meist hohl oder kristallisieren aus.

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Abb.9: Entstehung von Steinkern, Abdruck, Hohlform, Kristalldruse und Wasserwaage (Ziegler, „Allgemeine Paläontologie“)

Ich sagte zu Anfang schon, dass Steinkerne sehr häufig vorkommen. Dieser Aussage entsprechend konnten wir in Dänemark auch zahlreiche Exemplare finden. Auf den Fotos wähle ich absichtlich vor allem Steinkerne von Echinoiden (Seeigeln), da uns im Moler-Museum von Henrik Madsen, anhand von jenen, wohl am eindrucksvollsten klar wurde, wie häufig Steinkerne von Fundort zu Fundort sein können.

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Abb.10: Schubkarre voller Seeigel in Steinkern-Erhaltung, Moler-Museum v. Henrik Madsen

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Abb.11: Seeigel, Insel Fur, Sönke Simonsen


Aber auch die Exkursionsteilnehmer konnten durchaus viele Steinkerne finden, so stieß ich im Steinbruch bei Holtug auf einen Baculites – ein heteromorpher Ammonit der Kreidezeit - in Steinkernerhaltung (siehe Abb.12).

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Abb.12.: Baculites, Holtug, Eigenfund

Konkretionen:
Bei Konkretionen handelt es sich um Zusammenballungen (Konzentration) von Stoffen, die zuvor in verteiltem Zustand vorlagen. Zu diesen Stoffen gehören z.B. Kalk, Toneisenstein, Kieselsäure, Eisenbisulfid und Phosphorit. Es ist nicht selten, dass diese Konkretionen sich speziell um organische Reste bilden, wobei der besagte Stoff hier meistens vorerst nur die Poren des umgebenden Sediments ausfüllt und später z.B. durch Stoffaustausch oder Kristallisationsdruck das Sediment verdrängt. Die Bildung von Konkretionen kann durch verschiedene Phänomene ausgelöst werden, so – wie bereits angesprochen – durch verwesende organische Substanz, durch Änderung von Löslichkeitsverhältnissen bei aufsteigenden Porenwässern oder durch Stoffzuwanderungen. Jedes Konkretionsmittel bildet unter individuellen Bedingungen Konkretionen, so braucht Kalk beispielsweise alkalisches Milieu, um sich zusammenzuballen, Toneisenstein reduzierendes Milieu, Phosphorit stagnierende Sedimentation und phosphathaltige Auftriebswässer (die Phosphorit-Konkretionen zeigen außerdem oft enge Beziehungen zu tierischen Resten oder Kot!), Eisenbisulfid nichtbasisches reduzierendes Milieu, Eisenionen und Schwefelwasserstoff (H2S) im Überschuss, Kieselkonkretionen kieselige Schalen von Organismen, die aufgelöst werden und so als Rohstoff genutzt werden können und Siliziumoxid (SiO2), das allerdings nur in basischem Milieu verwertet werden kann. Auch bei den Kieselkonkretionen ist zu sagen, dass sie sich häufig in Abhängigkeit organischer Reste bilden.
Frühdiagenetische Konkretionen sind von höchstem Interesse, da hier die Fossilien umhüllt und somit geschützt werden, bevor es zur Zersetzung oder Zerstörung kommt. Durch diese Form der Überlieferung sind außerordentlich gut erhaltene Funde möglich.
Zu begutachten waren diese Konkretionen unter anderem im Museum von Henrik Madsen (siehe Abb.13) und im staatlichen Moler-Museum.
Auch wir haben unser Glück versucht und zahlreiche Konkretionen am Strand von Oster Lyby geöffnet, leider jedoch nicht mit dem erhofften Erfolg. So waren die meisten Konkretionen ohne fossilen Inhalt (siehe Abb.14) und nur wenige Exkursionsteilnehmer hatten das Glück zumindest kleine Muscheln darin zu finden.

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Abb.13: Krabbeboller, Konkretion im Moler-Museum von Henrik Madsen

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Abb.14: Von mir geöffnete Konkretion ohne fossilen Inhalt

Deformation:
Als Deformation bezeichnet man eine strukturelle Veränderung eines Fossils, nachdem es eingebettet wurde. Dies kann auftreten wenn ein fossilhaltiges Sediment belastet und entwässert wird und somit sackt. Wenn das Fossil in bewegliche Teile gegliedert ist, so werden diese gegeneinander geschert. Handelt es sich jedoch um Hartteile wie z.B. Schalen, Panzer und größere Knochen können diese durchaus zu Bruch gehen.
Allerdings muss nicht jede Deformation von Hartteilen mit Brüchen einhergehen. Dies ist dadurch möglich, dass sich das Gefüge so sehr lockert, dass die einzelnen Kristalle gegeneinander beweglich sind. Deutlich wird das beispielsweise bei ehemals gewölbten Schalen, die in eine Ebene gepresst abgebildet werden.
Da wir für dieses Phänomen selbst auf der Exkursion keine wirklich schönen Beispiele gefunden haben, greife ich zur Verdeutlichung auf Fossilien aus Holzmaden zurück (Abb.16).
        
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Abb.15: Kompaktion und Deformation eingeschlossener Fossilien (Ziegler, „Allgemeine Paläontologie“)

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Abb.16: Dactylioceras mit Hildoceras,  55mm, Holzmaden (Sönke Simonsen)


Korrosion:
Korrosion kommt dann zustande, wenn z.B. eingebettete Fossilien submarin wieder freigelegt werden. Hierbei kommt es oft vor, dass der aus dem neuen Sediment herausragende Teil gekappt wird. Möglich ist dies durch gewöhnliches Wasser, allerdings auch durch verschiedene Säuren, wie z.B. Kohlensäure (H2CO3) oder Schwefelsäure (H2SO4), und Basen, wie z.b. Ammoniumhydroxid (NH4(OH)). Korrosion ist allerdings nicht nur submarin möglich, sondern tritt auch durchaus innerhalb des Sediments auf (wenn das Fossil durch Porenwässer angelöst wird), in verfestigten Gesteinen an Bankfugen und auch alleine schon die Verwitterung ist ein Korrosionsfaktor. Hier sollte man sich in Erinnerung bringen, dass im Regenwasser Kohlenstoffdioxid (CO2) enthalten ist, das zusammen mit Wasser (H2O) gegen Kohlensäure (H2CO3) im Gleichgewicht steht.
Als Beispiel könnte man hier die vielen Echinoiden (vor allem Echinocorys) nennen, die wir an den verschiedenen Kliffen (z.B. Mon’s Klint, Stevn’s Klint) aus der Felswand herausragend sichten konnten. Hier liegt allerdings nicht nur chemische, sondern auch mechanische Korrosion vor. Die Seeigel sind teilweise von Gletschern aus dem ursprünglichen Sediment herausgekratzt, verfrachtet und sekundär wieder abgelagert worden.

Lücken in der Überlieferung:

Abschließend möchte ich noch kurz darauf hinweisen, dass wir keineswegs einen alles umfassenden Blick auf die Welt der Fossilien haben, so bleibt nur ein verschwindend geringer Prozentsatz (weit unter 1%) aller Organismen fossil erhalten und diese wenigen möglichen Funde müssen erstmal gemacht werden. Bau, Lebensweise, Häufigkeit des Organismus und auch die äußeren, abiotischen Faktoren bestimmen den Grad der Überlieferung.

Fabian Veith


Quellen:
-    Bernhard Ziegler – „Einführung in die Paläobiologie Teil1 – Allgemeine Paläontologie“, 4. Auflage, 1986, E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung Stuttgart
http://www.schweizerbart.de
-    „Führer zur Dänemark-Exkursion 10. – 19. August 2006“
Zusätzliches Fotomaterial:
-    Sammlung von Sönke Simonsen (Hobby-Fossiliensammler)
-    Sammlung von Nico Küter (Hobby-Fossiliensammler)